一種新型十字結構機械臂設計

鄭麗娜，張相哲，班頂

（六盤水師范學院物理與電氣工程學院，貴州六盤水，553000）

0 引言

“中國制造2025”推動了工業機器人、機械臂等智能化設備的應用，使無人工廠成為可能，高校對該領域人才的培養更是重中之重。但目前在高校領域用于學生使用的機械臂大多控制精度低且運動學逆解復雜。而精度高的機械臂往往結構復雜，難以小型化。本文設計的十字結構機械臂控制精度高、結構新穎實用、控制算法簡單并且小型化。該機械臂包括旋轉基座、動力裝置、橫臂、縱臂、機器視覺裝置、執行末端、直線軸承、四向滑臺機構及固定機構。在本裝置中，操作人員可通過程序控制或遙控方式靈活調節機械臂動作，控制執行末端精確到達指定位置進行相應操作。

1 整體結構及工作原理

1.1 整體結構

本機械臂由旋轉基座、動力裝置、橫臂、縱臂、機器視覺裝置、執行末端、直線軸承、四向滑臺機構及固定機構組成，機械臂整體結構如圖1所示。在該裝置中，旋轉基座包括內環與外環；動力裝置包括1-3號電機、閉環同步帶、開環同步帶及同步輪；橫臂、縱臂均采用直徑為6mm的硬質光軸；固定機構包括頂板、尾板和前板。其中，旋轉基座內環上方安裝機械臂縱臂，可帶動機械臂作旋轉運動，當不考慮旋轉基座時，機械臂整體為Core XY變體結構；1號電機安裝在旋轉基座的外環，通過閉環同步帶與旋轉基座內環連接，用于驅動旋轉基座內環旋轉；2號電機、3號電機通過開環同步帶與橫臂、縱臂連接，用于驅動機械臂上下、前后方向的運動；四向滑臺機構內部安裝有滾珠直線軸承，可減小滑動時的摩擦力，四向滑臺機構安裝在縱臂上，可在縱臂上自由升降；同時橫臂也安裝在四向滑臺機構內，可在其內作直線運動；執行末端安裝在固定機構的前板下方；機器視覺裝置安裝在執行末端與固定機構前板之間。

圖1 機械臂整體結構

根據所設計的機械臂實際結構，其對應運動模型如圖2所示。由一個轉動副和兩個移動副組成。轉動副對應機械臂的旋轉基座的轉動，移動副對應機械臂橫臂、縱臂的作直線運動和自由升降動作。

圖2 機械臂運動模型

1.2 工作原理

在本設計中操作人員可通過程序控制或遙控方式靈活調節機械臂動作，進而控制執行末端精確到達指定位置進行相應操作。當采用程序控制方式時，操作人員按下啟動按鈕，主控制器立即將程序命令計算轉為控制命令（即步進電機的脈沖信號及正反轉信號）發送給步進電機控制器，步進電機控制器根據控制命令驅動步進電機動作，并通過同步帶傳動從而帶動整個機械臂協調有序的執行相應動作，進而控制執行末端完成指定任務如抓取、放置等。若采用遙控方式，操作人員按下啟動按鈕并根據實際需要對機械臂發送指令，主控制器接收指令經計算后轉為控制命令發送給步進電機控制器進而驅動步進電機運動，利用同步帶傳動帶動整個機械臂根據實際應用要求控制執行末端完成相應動作。本設計的機械臂為Core XY變體結構，其控制原理在不考慮旋轉基座時與Core XY結構類似。Core XY是一種3D打印機的結構類型。Core XY的工作原理是通過兩個電機同時控制X軸、Y軸的移動，當兩個電機轉動同向工作時，往X軸方向移動；反之當兩個電機轉動反向動作時則往Y軸方向移動。在本設計中，兩個電機固定于機械臂底部，以減輕運動部分的重量，同時下移了整體裝置的重心，使得機械臂可以更加快速、穩定的動作。并且當兩個電機同時作用時，其力量比單個電機控制更加穩定。

1.3 機械結構選型

本設計的機械臂是一款小型化、輕量型的機械臂，需考慮其機械機構的剛性、運動穩定性以及整體機械結構重量等因素，為保證其具有的特點，該機械臂縱臂采用4根長度為250mm、直徑為6mm的硬質光軸；機械臂橫臂采用2根長度為280mm、直徑為6mm的硬質光軸；此外，旋轉基座內環與四向滑臺均采用改性PC材料3D打印制作而成；其他受力結構均采用碳纖維材料3D打印加工制作。

2 主控制器設計

主控制器由電源模塊、穩壓模塊、步進電機驅動器及主控芯片組成，該控制器安裝在機械臂底部旋轉基座上。主控制器結構圖如圖3所示。其中，電源模塊采用12V、2400mAh鋰電池為機械臂提供供電電壓；穩壓模塊采用MP2225開關型變換器，其轉換效率高達 97%，在寬輸入范圍內可實現5A的輸出電流，具有極好的負載和線性調節性能；主控芯片采用帶DSP和DP-FPU的高性能ARM Cortex-M7 MCU，該MCU具有2 MB Flash、1 MB RAM、480 MHz CPU以及外部存儲器接口和大量外設，可滿足設計需求。在電路設計中，電源模塊兩極分別連接穩壓模塊的IN+、IN-引腳，經穩壓模塊降壓后，輸出引腳連接主控芯片的VCC、GND引腳，同時主控芯片引腳連接步進電機控制器進而控制整個機械臂動作。在機械臂整體結構中采用OpenMV 4 plus 500萬攝像頭模塊作為機器視覺裝置，該模塊具有4根不同顏色的線，紅線、黑線分別接電源模塊正極、負極，其余兩根為信號線與主控制器連接實現對抓取放置物體的顏色識別、物體識別等操作，并將其結果返回主控制器。

圖3 主控制器結構圖

3 軟件設計

本設計采用Keil V5軟件進行機械臂控制程序的設計，該軟件具有程序結構靈活、適用性廣等特點，所設計機械臂的控制流程如圖4所示，具體步驟如下：

圖4 機械臂控制流程圖

（1）給裝置上電，完成裝置的初始化，包括定時器、I/O、UART、IIC、無線通信模塊初始化。

（2）檢測啟動按鈕是否按下，若按下，則主控制器工作，若無，則重復（2）動作，直至啟動按鈕被按下結束。

（3）主控制器接收并更新目標動作，若接收到新的動作任務，則發出指令控制步進電機驅動器驅動步進電機運動至指定動作使機械臂完成相應工作，若主控制器沒有接收到新的動作，則重復（3）動作。

（4）重復以上，執行動作任務。

4 實驗結果分析

為驗證所設計機械臂的可靠性、穩定性等性能，則對以下5種運動狀態下的精度進行實驗，并記錄運動行程、重復定位次數、單次運動時間（s）、重復定位精度（mm），實驗結果見表1。

表1 機械臂運動狀態分析

圓周運動 360° 7 2 ±0.204 45°方向直線運動 270mm 7 1.2 ±0.049無序運動 7 5.9 ±0.214

從表1數據可知，所設計的十字結構機械臂在水平運動、垂直運動以及45°方向直線運動的運動狀態下，單次運動時間為1.2s，且定位精度較高，同時該機械臂還可調整旋轉角度為360°，也可以根據實際情況更換光軸增加行程。

5 結論

本文設計的十字結構機械臂，具有精度高、易控制、小型化、輕量型的特點，該裝置為高精度小型機械臂帶來了更好的選擇，結構新穎，具有廣泛的市場前景。且可根據實際情況更換光軸增加行程以及增大負責旋轉的從動同步輪來進一步提高旋轉的精度。